功能梯度蜂窝材料的面内冲击性能研究

根据功能梯度特性的概念,建立了具有递变屈服强度梯度特性的圆形蜂窝结构数值仿真模型。在此模型的基础上详细讨论了递变屈服强度梯度和冲击速度对圆形蜂窝材料面内冲击性能的影响。研究结果表明递变梯度值对蜂窝结构的变形模式有较大影响。通过合理地选择蜂窝结构的递变屈服强度梯度值,进入被保护结构的应力值明显降低,蜂窝材料的能量吸收能力也得到有效控制。该结果能为完善屈服强度梯度蜂窝材料的研究和设计提供理论指导。     

密度梯度蜂窝材料动力学性能研究

利用显式动力有限元方法数值研究了具有密度梯度六边形蜂窝材料的面内冲击动力学性能.根据功能梯度材料的概念,首先建立了具有密度梯度的蜂窝材料模型.基于此模型,具体讨论了密度梯度和冲击速度对六边形蜂窝材料变形模式和能量吸收性能的影响.研究结果表明,通过恰当地选择蜂窝材料的密度梯度,初始应力峰值明显减小,材料的能量吸收能力能够有效地得到控制.此结论为实现多胞材料动力学性能的多目标优化设计提供了新的设计思路.     

能量吸收图法在蜂窝纸板中的应用

目的研究能量吸收图法在蜂窝纸板中可行的应用方法。方法通过以肩部包络线构成能量吸收图的方法和以屈服对应点连线构成能量吸收图的方法对同一个算例进行分析,分别得到各自最佳的蜂窝纸板厚度和单层芯纸厚度。然后以产品的最大许用应力分别进行压缩,查看其压缩变形情况。采用跌落的方法查看其最大变形、产品动能的变化曲线、位移变化曲线和加速度变化曲线,以此来考查这2种方法的可行性。结果通过肩点法得到优化结果,由于产品最大许用应力小于蜂窝板的屈服应力,蜂窝板无法通过层叠变形吸收产品的跌落冲击能量,使得产品响应加速度过大,进而发生破损。通过屈服对应点法得到优化结果,由于产品最大许用应力可以克服蜂窝板的屈服应力,使得蜂窝板可以变形吸能,并可以在达到产品最大许用应力前吸收完所有的能量,可以有效地保护产品。结论文中所用的屈服对应点法在不考虑实际安全系数的基础上,将产品的最大许用应力对应于缓冲材料的屈服应力,所得的优化材料可以有效地对产品起到缓冲保护作用。     

规则排列圆形蜂窝共面对角线方向缓冲性能的研究

目的 研究冲击速度和结构参数对规则排列圆形蜂窝共面对角线方向缓冲性能的影响规律。方法 使用有限元分析软件ANSYS/LS−DYNA建立规则排列圆形蜂窝共面对角线方向动态冲击有限元模型,基于此模型进行参数化仿真模拟,得到不同冲击速度和结构参数下规则排列圆形蜂窝共面对角线方向的变形模式、密实化应变、平台应力和能量吸收特征,并以图表的形式呈现。结果 在共面对角线方向的不同冲击速度下,规则排列圆形蜂窝表现出不同的变形模式。密实化应变在低速和高速冲击下,只与壁厚半径比有关;在中速冲击下,密实化应变同时受冲击速度和壁厚半径比的影响。在给定壁厚半径比下,共面平台应力(或最佳单位体积能量吸收)与冲击速度的平方呈线性关系;在给定冲击速度下,共面平台应力(或最佳单位体积能量吸收)与壁厚半径比呈幂指函数关系。结论 并基于有限元计算结果,得到了动态密实化应变、平台应力和单位体积能量吸收的经验表达式。     

梯度铝蜂窝夹芯板的力学行为

梯度分层铝合金蜂窝板是一种有效的吸能结构,本工作在梯度铝蜂窝结构的基础上根据梯度率的概念,通过改变蜂窝芯层的胞壁长度,设计了4种质量相同、梯度率不同的铝蜂窝夹芯结构。通过准静态压缩实验,并结合非线性有限元模拟准静态及冲击态下梯度铝蜂窝夹芯结构的变形情况及其力学性能,分析对比了相同质量下梯度铝蜂窝夹芯结构在准静态下的变形模式以及冲击载荷下分层均质蜂窝结构和不同梯度率的分层梯度蜂窝结构的动态响应和能量吸收特性。结果表明:在准静态压缩过程中,铝蜂窝梯度夹芯板的变形具有明显的局部化特征,蜂窝芯的变形为低密度优先变形直至密实,层级之间的密实化应变差随芯层密度的增大而逐渐减小;在高速冲击下,梯度蜂窝板并非严格按照准静态过程中逐级变形直至密实,而是在锤头冲击惯性及芯层密度的相互作用下整体发生的线弹性变形、弹性屈曲、塑性坍塌及密实化;另外,在本工作所设计的梯度率中,当梯度率为γ₁=0.0276时,梯度蜂窝夹芯板的吸能性达到最好,相较于同等质量下的均质蜂窝夹芯板,能量吸收提高了10.63%。     

正多边形外接填充圆形蜂窝异面动态缓冲性能

目的 为了研究正多边形外接填充圆形蜂窝的缓冲性能,建立不同正多边形外接填充圆形蜂窝的冲击有限元模型,分析研究多边形填充对圆形蜂窝缓冲性能的影响.方法利用Ansys/LS-DYNA建立正三、四、五、六边形外接填充圆形蜂窝的有限元分析模型,用六水平等级法评价分析各有限元模型在异面方向不同冲击速度下的力学性能、变形模式和能量吸收特性.结果正多边形与圆形蜂窝产生了较强的耦合响应,使组合结构的接触载荷和总能量吸收值均大于两者单独冲击数值之和;正六边形外接填充圆形蜂窝结构的六水平等级评价均为A,优于其他组合类型,且在不同冲击速度下不同正多边形外接填充圆形蜂窝的评价结果大致相同;正六边形外接蜂窝结构在冲击载荷下存在3种变形模式,随冲击速度的变化而变化,蜂窝壁厚对其的影响较小.随着冲击速度和壁厚的增大,动态峰应力、密实化总能量吸收和比吸能均有一定程度的提升.结论在耦合效应和动态冲击载荷的综合作用下,正六边形外接填充圆形蜂窝结构的动态力学性能较其他3种结构更为优异;随着蜂窝壁厚和冲击速度的增加,正多边形外接填充圆形蜂窝结构的承载能力和吸能能力都得到增强.     

金属蜂窝材料的面内冲击响应和能量吸收特性

利用显式动力有限元法对三角形蜂窝材料在面内冲击载荷下的动力响应和能量吸收特性进行了研究。具体讨论了相对密度、冲击速度以及冲击方向对蜂窝材料变形模式、平台应力和比能量吸收能力的影响。结果表明,除了胞元的微结构特征参数(例如壁长、壁厚以及扩张角等),蜂窝材料的动力响应特性还依赖于冲击速度和冲击方向。在相对密度和冲击速度不变的前提下,试件沿Y方向冲击时表现为更高的平台应力和更强的能量吸收能力。随着冲击速度的增加,惯性效应明显,蜂窝材料的平台应力和能量吸收能力对冲击方向更敏感。将为多胞材料动力学多目标优化设计提供新的设计思路。     

基于拓扑优化的变密度蜂窝结构参数化设计及冲击性能研究

针对现有梯度蜂窝结构的经验式、非连续变梯度等设计方法，无法充分发挥梯度设计对蜂窝结构冲击性能提升效果的问题。基于变密度拓扑优化方法，提出了一种参数化设计的拓扑优化密度映射蜂窝结构，通过改变映射系数、相对密度构建了相应的拓扑优化密度映射蜂窝结构模型。研究了不同冲击速度下，映射系数、相对密度对其面内变形模式、力学响应和能量吸收性能的影响。结果表明，映射系数、相对密度对不同冲击速度下的拓扑优化密度映射蜂窝的面内变形模式具有显著影响，增大映射系数有益于提高其平台应力和比吸能，与相同质量、尺寸的标准蜂窝冲击性能对比结果显示：拓扑优化密度映射蜂窝的峰值应力降低了16.9%、比吸能提高了29.1%。研究表明，将变密度拓扑优化方法引入至梯度蜂窝结构的设计可有效提高其冲击性能。     

圆形蜂窝共面冲击力学性能

目的基于有限元模拟的方法,比较研究规则和交错排列的圆形蜂窝共面动态冲击力学性能。方法利用Ansys/LS-DYNA建立2种蜂窝的共面冲击分析有限元模型。结果借助于该模拟方法,分析得到在结构参数一致,冲击速度不同的情况下,规则排列的圆形蜂窝变形模式呈现3个阶段,即"X","V"和"一"字形,交错圆形蜂窝变形模式几乎相同,呈"一"字形。得出了2种排列方式的圆形蜂窝的变形模式转换速度与壁厚半径比的关系。根据有限元模拟结果,推导出了动态峰应力关于结构参数和冲击速度的经验公式。结论用有限元模拟的方法得到了2种排列方式的圆形蜂窝的共面冲击力学性能,为圆形蜂窝芯材的优化设计提供了参考依据。     

缺陷对蜂窝铝压缩变形机制及性能的影响

缺陷普遍存在于蜂窝材料中,对蜂窝材料的压缩变形机制和性能均有不同程度的影响.利用有限元法模拟研究了蜂窝铝的压缩过程,分析了制备蜂窝铝的过程中可能存在的缺陷及其数量,如断边、填充、大孔(SBS)、小孔(BSB)缺陷,研究了缺陷对其变形机制、屈服强度、平台应变和能量吸收特性的影响.研究结果表明:断边和大孔缺陷对蜂窝铝屈服强度的影响较为显著;而填充和小孔缺陷对平台应变和能量吸收的影响较为显著.     

EPE泡沫填充圆形纸蜂窝异面缓冲性能的试验研究

目的为了研究EPE泡沫填充对圆形纸蜂窝异面缓冲性能的影响,开展相关试验研究。方法对2种排列方式(规则/交错)以及不同填充形式(未填充、全填充、5种部分填充方式)的EPE泡沫填充圆形纸蜂窝结构,进行异面准静态和动态压缩试验,研究其异面变形模式和吸能特性,比较不同排列方式和泡沫填充对其异面缓冲性能的影响。结果静态压缩时,与未填充蜂窝结构相比,EPE填充使交错排列的平均平台应力和单位体积能量吸收分别增长了10.1%和8.9%,规则排列分别增长了7.1%和7.5%。结论 EPE填充使圆形纸蜂窝所承受的最大静应力增大,且交错排列时增长较明显;相同填充率下,填充方式对圆形纸蜂窝异面静态压缩的缓冲性能影响不大。动态压缩时,排列方式和泡沫填充仅对大载荷下圆形纸蜂窝的动态缓冲性能影响明显。EPE填充使圆形纸蜂窝异面缓冲性能得到改善,且交错排列方式优于规则排列。     

Synergistic energy absorption in the axial crush response of filled circular cell honeycombs

In the present investigation, the axial static crush response of circular cell, filled honeycombs is studied. Polycarbonate honeycombs with circular cells are used as the base material. Polyurethane, a soft elastomer is used as the filler material. Filled 3-cell, 7-cell and 19-cell honeycombs were subjected to uniaxial, quasi-static, out-of-plane compressive loading. The experimental results show a synergistic energy absorption event, leading to an amplification of crush energy absorption in the filled honeycombs due to a change in the deformation mode (in comparison against unfilled honeycombs). Moreover, it is seen that the initial failure is a stable collapse unlike the abrupt first failure seen in unfilled honeycombs. An explicit finite element solver is used to quantitatively understand the experimental results, thus validating its usefulness as an engineering design tool.     

六韧带手性蜂窝结构的动力学响应特性研究

利用显式动力有限元ANSYS/LS-DYNA数值研究了六韧带手性蜂窝结构的面内冲击动力学特性。在保证圆环节点半径不变的前提下,通过改变韧带长度和胞元厚度,首先建立了六韧带手性蜂窝的有限元模型,具体讨论了冲击速度和胞元微结构参数对手性蜂窝材料的面内宏/微观变形行为、密实应变、动态平台应力和比能量吸收能力的影响。研究结果表明,随着冲击速度的增加,六韧带手性蜂窝结构表现为3种宏观变形模态：“> <”型模式、“过渡”模式和“I”型模式。在中、低速冲击载荷下,能够明显观察到拉胀材料在轴向压缩时独特的“颈缩”现象,其主要与韧带绕着圆环中心节点的旋转变形有关。通过引入无量纲“动态敏感因子”,还研究了六韧带手性蜂窝材料的面内动态冲击强化效应。     

铝塑复合包装材料废弃物分选技术

目的 针对铝塑复合包装材料废弃物分离不够彻底,导致产品纯度不高、分离效率低、分离工艺不够完善等问题,采用绿色环保的铝塑活性介质进行铝塑分选技术研究,优化分离工艺参数.方法 选择天然固体酸柠檬酸溶液作为铝塑复合废料分选的分离溶剂,研究柠檬酸浓度、反应温度、液固比、搅拌速度和裁切尺寸等因素对铝塑复合材料分离效果的影响.并根据正交试验和极差分析优化出分离时间短、铝损失率较低的分离工艺.结果 在柠檬酸浓度为2 mol/L,温度为100℃,液固比为400 L/kg,搅拌速度为650 r/min,裁切尺寸为0.5 cm×0.5 cm的条件下,铝塑分离率达到100％,分离时间为65 min,铝的质量损失率为0.66％.结论 柠檬酸作为一种新型天然分离剂,对铝的腐蚀率低,此技术为铝塑复合材料废弃物回收再利用工业化生产提供了参考.     

Strain localization in circular honeycombs under in-plane biaxial quasi-static and low-velocity impact loading

Strain localization in a finite block of circular honeycomb is studied using a phenomenological approach based on the structural response of the honeycombs. The deformation modes characteristic for a circular honeycomb material under in-plane biaxial compression are identified from the experiments and described analytically for compression strains up to about 15%. It is concluded that the particular deformation modes depend on the local strain field, and modes with different dominant strains can co-exist inside a finite block subjected to equi-biaxial remote strains. The relationships between the local strain components for the development of these modes are determined. Using the proposed approach to the strain localization, it is shown that for equal remote strains applied to a finite block of honeycombs, larger remote stresses would occur when assuming homogeneous deformation inside the block in comparison to the calculated stress when the strain inhomogeneity takes place. A comparison between the theoretical and experimental results is made for a finite honeycomb block under quasi-static equi-biaxial compression.     

Axial crushing of hollow and foam filled tubes: An overview

Herein, a detailed review of the past studies carried out on crushing and energy absorption behaviour of hollow and foam filled tubes under axial compression is presented. Importance of such investigation is discussed for understanding the research need and to develop suitable alternatives. The focus of review is the deformation mechanism and energy absorption of hollow circular and square tubes, foam filled circular and square tubes notably. Comprehensive review on the various deformation modes for these tubes under axial impact load and effect of foam filling is presented. The review includes the various parameters affecting the peak load and energy absorption. Although various other forms of energy absorbing materials and structures exist such as composites, multi-wall tubes and honeycombs, these are not within the scope of present review. This paper intends to provide assistance in design and development of empty and foam filled tubes as effective energy absorbers. Further, this paper provides the necessary information for designers to understand the deformation of such tubes.